第四章　水資源系統(tǒng)“易”理論的經(jīng)濟原理與研究方法

第一節(jié)　基于“易”理論的水資源系統(tǒng)運動原理推演

一、系統(tǒng)內水資源配置靜態(tài)分析

由第三章理論可知，在人工生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)內分為，人工環(huán)境子系統(tǒng)和經(jīng)濟社會子系統(tǒng)。當進入經(jīng)濟社會子系統(tǒng)的水資源被用于人工環(huán)境較多時，經(jīng)濟社會子系統(tǒng)必然因為水資源不足而受到影響;反之，一味地滿足經(jīng)濟社會的發(fā)展用水需求，忽略人工環(huán)境，則其狀態(tài)必然受損。所以說，在人工生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)內配置給人工環(huán)境的水資源與經(jīng)濟社會中的水資源必須相協(xié)調和平衡，這就是基于“易”理論的二維人工生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)內水資源配置的靜態(tài)原理。

圖4-1　人工生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中的水資源配置靜態(tài)分析

此外，根據(jù)圖4-1可知，水資源在人工生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)內不可能做到絕對的、一成不變的平均，需要根據(jù)人工生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的演化運動，不斷地動態(tài)調整，但是總體上系統(tǒng)內經(jīng)濟社會用水量與人工環(huán)境用水量保持基本平衡，以保證整個系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

二、系統(tǒng)間相互作用熵的周期演化闡釋

從人類經(jīng)濟社會系統(tǒng)與外界自然環(huán)境和水資源系統(tǒng)之間相互作用熵的周期演變過程(圖4-2)，可揭示出:

圖4-2　水資源系統(tǒng)與生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)熵的生命周期演變

X-Y軸系面內，當經(jīng)濟社會起初發(fā)展時，出現(xiàn)了很多人工的生態(tài)環(huán)境在一定程度上，生態(tài)環(huán)境的質量符合人們的需求，此時兩者相互作用的熵較低;但是過分一味地追求經(jīng)濟社會的發(fā)展(如傳統(tǒng)工業(yè)化階段)，必然影響生態(tài)環(huán)境的質量狀況，出現(xiàn)熵“膨脹”;反之，當經(jīng)濟社會發(fā)展呈現(xiàn)“負”值，導致相應的環(huán)保投資不足或虧缺，環(huán)境狀況勢必受到影響，經(jīng)濟社會的發(fā)展衰減到一定階段，對生態(tài)環(huán)境的侵擾就降低到生態(tài)環(huán)境容載力可承受的范圍內，部分生態(tài)環(huán)境功能會逐步得到自我修復;

同理，X-Z軸系面內，當經(jīng)濟社會的發(fā)展呈現(xiàn)“正”增長時，對水資源的需求需要人工凈化和改善水質，但是當經(jīng)濟社會的發(fā)展到一定時期后，超過了當?shù)厮Y源的承載，水資源的質量出現(xiàn)惡化;當經(jīng)濟社會出現(xiàn)倒退“負增長”時，水資源質量將開始出現(xiàn)變差，之后隨著經(jīng)濟社會的萎縮到一定程度，對水資源系統(tǒng)的擾動程度也降低到了水資源系統(tǒng)可以自我修復的范圍內，水資源質量會有所恢復;

同理，Y-Z軸系面內，當伴隨著生態(tài)環(huán)境質量的提升，水資源質量不斷得到改善，但當一定時期后，生態(tài)環(huán)境質量持續(xù)增長時，水資源即表現(xiàn)的對其供給能力的不足，反之，當水資源供給出現(xiàn)虧缺，生態(tài)環(huán)境質量必然出現(xiàn)“赤字”，當生態(tài)環(huán)境逐漸退化萎縮到一定程度后，其生境的演化幾乎不再依賴于水資源(如沙漠等生境)。

由圖4-2可看出，水資源系統(tǒng)的運行處于X-Y-Z軸共同的正向決定的子空間內，系統(tǒng)的協(xié)同度最大，對經(jīng)濟社會發(fā)展水平、生態(tài)環(huán)境演替狀況、水資源質量變化都最為有利，此時熵值基本維持穩(wěn)定均衡。

基于“易學”哲學思想和二元水循環(huán)機理，作為耗散結構水資源系統(tǒng)與生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)和外界自然環(huán)境之間的“取-排”關系以及水資源系統(tǒng)與生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)之間“供-需、調-用”關系符合辯證統(tǒng)一、動態(tài)均衡、循環(huán)再生的特性，要保持系統(tǒng)的熵的穩(wěn)定就要保持上述關系的對稱均衡;經(jīng)濟社會系統(tǒng)本身需要動態(tài)的水資源不斷地引入“負熵”、代謝“正熵”從而保持系統(tǒng)處于低熵的狀態(tài);為保持水資源系統(tǒng)正常完成外界自然環(huán)境和生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)之間的物質、能量、信息的可持續(xù)性地交換，人為地采取“近自然”的水資源利用和保護方式(如生態(tài)經(jīng)濟發(fā)展模式、生態(tài)水利建設、河流健康維護、環(huán)境風險管理等)確保經(jīng)濟社會系統(tǒng)與外界自然環(huán)境“接口”之間的和諧友好;在系統(tǒng)內，水資源循環(huán)經(jīng)濟利用可以有效地降低系統(tǒng)正熵(或者引入負熵)的增加，最終有利于人類的可持續(xù)發(fā)展。

三、系統(tǒng)間相互作用關系的向量投影剖析

從圖4-2中解析出人類經(jīng)濟社會發(fā)展與自然水資源和外界生態(tài)環(huán)境之間的相互關系，并構造出如下理論模型:

S系統(tǒng)間協(xié)同度，Es為人類經(jīng)濟社會系統(tǒng)和與之緊密相關的人工環(huán)境; Ee為系統(tǒng)外的生態(tài)環(huán)境; Wr為水資源系統(tǒng)。同時，繪制出三者變化程度之間耦合向量關系圖(圖4-3)。

由圖4-3可直觀看出，經(jīng)濟社會發(fā)展的程度與生態(tài)環(huán)境原始狀態(tài)和自然水資源賦存情況之間相互交錯耦合，相互影響和作用并隨著時間的推移而變化。對主在各平面上的投影向量分解后可知，經(jīng)濟社會發(fā)展程度越高，人類的活動域越大，生態(tài)環(huán)境原始狀態(tài)就越低，人化狀態(tài)越高;而在人類經(jīng)濟社會發(fā)展初期，生態(tài)環(huán)境原始狀態(tài)幾乎是處于未受人類任何影響，因此原始狀態(tài)保存最好，自然生態(tài)環(huán)境質量直接影響人類經(jīng)濟社會系統(tǒng)的環(huán)境質量(如氣候變化等)，因此，其受影響越重，必然“反制”人類經(jīng)濟社會發(fā)展的力量越強;同時因為人類的擾動，產生了介于自然生態(tài)環(huán)境和人類經(jīng)濟社會之間的人工生態(tài)環(huán)境，即狹義的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)，由于受到人類的干預，對水資源的利用逐步加劇，水資源賦存狀況必然受到人類影響的程度越來越大，由于人類經(jīng)濟社會的不斷膨脹，水資源開發(fā)利用量不斷增加，地球表面自然界的水資源總量有限，必然“反制”人類的經(jīng)濟社會發(fā)展的作用強度越大。因此，為了實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展，在經(jīng)濟社會與生態(tài)環(huán)境和水資源之間需要找到最佳的平衡，即求得理論上的三者協(xié)同度最大值，作為約束人類活動強度和平衡三者相互作用力的控制目標，即為圖中主向量所示。

圖4-3　經(jīng)濟社會-生態(tài)環(huán)境-水資源系統(tǒng)間相互作用關系的向量投影

四、系統(tǒng)整體四維時空動態(tài)演化圖景

根據(jù)第四章對水資源系統(tǒng)“易”理論基礎與原型的研究認為，八種原型理論之間的關系在水資源系統(tǒng)中體現(xiàn)為:“易學”哲學思想居于統(tǒng)領地位;生命周期管理理論和可持續(xù)發(fā)展理論更突出在時間上對系統(tǒng)的理論支撐;二元水循環(huán)機理和系統(tǒng)(熵與耗散結構)理論更突出在空間上對系統(tǒng)的描繪;生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)與循環(huán)經(jīng)濟理論可分別認為:前者是人類社會系統(tǒng)與自然環(huán)境系統(tǒng)之間的可持續(xù)發(fā)展理論與系統(tǒng)理論的耦合;后者則為人類社會系統(tǒng)內符合“易學”思想的運作方式;生態(tài)水利建設是水資源系統(tǒng)在自然環(huán)境與人類社會系統(tǒng)之間符合生態(tài)經(jīng)濟理論的橋梁和樞紐;環(huán)境風險管理則是在人類社會系統(tǒng)對自然生態(tài)環(huán)境的“減震器”和“防護網(wǎng)”。因此，可以看出水資源系統(tǒng)“易”理論能夠用“易學”的哲學思想進行戰(zhàn)略指導，將二元水循環(huán)機理和系統(tǒng)(熵與耗散結構)理論相結合，根據(jù)水資源系統(tǒng)生命周期的特點和規(guī)律，通過一方面水資源生態(tài)經(jīng)濟與循環(huán)經(jīng)濟的利用，構建生態(tài)水利工程;一方面實施對水資源利用中存在的環(huán)境風險進行管理，維護河流健康，最終有助于實現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展的目標。

通過進一步研究認為，從系統(tǒng)與環(huán)境之間的關系分析，水資源系統(tǒng)具有動態(tài)持續(xù)地演替特征，其本身經(jīng)歷著類似的“誕生——加速——成熟——衰竭”生命循環(huán)周期過程。從自然界的取水側重于新生水資源;調水與配水伴隨水資源進入人類生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中不斷深入而利用逐步加深;經(jīng)過人類充分加工后的對成熟水資源(即水資源產品)被在人類經(jīng)濟社會中廣泛地交換和使用;充分利用后的水資源伴隨著其的利用價值的逐步削減，最終逐步退出人類經(jīng)濟社會系統(tǒng)，重新進入自然環(huán)境，經(jīng)過自然環(huán)境的“磨塑”之后，又重新進入下一個水循環(huán)周期。

由此，基于“易”理論的水資源系統(tǒng)運行模式，將水資源系統(tǒng)的動態(tài)生命周期運動規(guī)律用“易學”中的太極八卦圖進行四維時空演繹，從而揭示自然生態(tài)環(huán)境與人工生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)之間，水資源系統(tǒng)“易”理論運行的基本原理(圖4-4)。對圖4-4的運行原理進行推演后，認為:

圖4-4　水資源系統(tǒng)“易”理論的四維時空圖景

該模型是揭示的是水資源系統(tǒng)與自然環(huán)境和人類社會系統(tǒng)有機組合而成的四位時空格局。自然環(huán)境作為人類生存發(fā)展的基底，本身具有一個大背景下的時空運動格局;基于自然環(huán)境的且具有相對的獨立性的人類社會按照其自身的發(fā)展運動規(guī)律具有一個較為完整的時空變化體系;

分列于圖中坐標軸八個象限上的“乾”、“坤”、“離”、“坎”、“巽”、“震”、“艮”、“兌”八種卦象表示自然水文循環(huán)中涉及的天、地、日、月、風、雷、山、澤諸要素。天，是由氣態(tài)水運動(雨、雪、冰、雹等)的空間;地，是液態(tài)降落接納的載體;日與月，是宇宙中促使地球表面形成諸洋流和大氣環(huán)流的外在驅動因素;風(氣流)，是氣態(tài)水運動的一種形式;雷，是由氣態(tài)水向液態(tài)水轉變的誘發(fā)因素之一;山與澤，是降水形成水流由較高勢能向較低勢能轉化和匯集的環(huán)境;

中間的太極陰陽魚代表著人工生態(tài)經(jīng)濟復合系統(tǒng)，對于人工生態(tài)經(jīng)濟復合系統(tǒng)中，結合水資源的特點，可根據(jù)水資源的利用程度，水質的變化，分為已利用系統(tǒng)(陰)和待利用系統(tǒng)(陽);

水資源系統(tǒng)是生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)與外界自然環(huán)境之間交換的動態(tài)的、開放的有序系統(tǒng)，是協(xié)助生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)與外界自然環(huán)境之間完成物質循環(huán)、能量流動、信息傳遞價值轉換的流動載體系統(tǒng);

“陽→陰”的轉化過程:從自然生態(tài)環(huán)境汲取進入人工生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中的水資源首先成為待利用水資源，當通過一定的途徑和方式將待利用水資源進行利用后，根據(jù)水量和水質的不斷變化，伴隨著外界其他物質和能量的作用，水質發(fā)生改變，新鮮的水資源逐漸變成了容納了其他物質成分的逐漸被充分利用后的污“廢”水，此外，陰魚中有“陽”的成分表明即便是被利用后的污(廢)水也有其可再利用的價值;

“陰→陽”的轉化過程:經(jīng)過人類活動充分利用后轉變成為所謂的污“廢”水通過一定的人工技術措施，部分水逐漸被再生為可為人類利用的再生水資源，并通過回用系統(tǒng)進入循環(huán)利用過程，陽魚中存在“陰”的成分表明，即便是取自自然環(huán)境中的水或是經(jīng)過再生后的水，其內也有其他物質(雜質)，需要根據(jù)不同的用途考慮進行凈化;

水資源這種“陽→陰”、“陰→陽”的轉變過程即完成了一次生命周期，也即水在人類生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中的小循環(huán);

根據(jù)物質守恒定律，污廢水中的不可再生利用的部分經(jīng)過一系列的處理與處置過程，最終又進入自然生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，也即包括水在內的物質不斷地在自然生態(tài)環(huán)境與人共生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)之間流動、轉化，但總的質量并不發(fā)生變化，也即物質生命周期經(jīng)歷的大循環(huán)。

從圖4-4中反映出系統(tǒng)與環(huán)境之間交相呼應、相互影響，系統(tǒng)內要素(子系統(tǒng))間對立統(tǒng)一、對稱均衡、系統(tǒng)與環(huán)境以及系統(tǒng)內部諸要素之間是動態(tài)演替、周期循環(huán)的辯證思想。在水資源系統(tǒng)中，由人類活動引起的取(水)、調(水)、用(水)、排(水)的行為是促成水資源在生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)內運動的誘因，在人類經(jīng)濟社會與自然生態(tài)環(huán)境“接口”方面，用生態(tài)經(jīng)濟理論指導“取”與“排”的關系，重視河流健康的維護即是確保取水水源和防范排水環(huán)境風險的現(xiàn)代水資源保護理念的重要體現(xiàn);在人類生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)內部，用循環(huán)經(jīng)濟的模式具體設計“調”與“用”的關系，通過設計和建設生態(tài)水利工程與落實各項水資源循環(huán)經(jīng)濟利用技術，能夠保障水資源在生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)內的安全穩(wěn)定、高效有序、集約節(jié)約流動、轉化和交換。同時，提升水資源循環(huán)經(jīng)濟利用水平和推廣生態(tài)水利工程建設的規(guī)模也能夠提高生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)內水資源運行的效率、效能和效益，可以有效地抑制系統(tǒng)正熵的產生;通過減少對水資源的浪費和水污染物的排放，維護河流健康可以促進系統(tǒng)負熵的引入。其中的哲學內涵無不體現(xiàn)著“易學”的精髓。

第二節(jié)　基于“易”理論的水資源價值的生命周期

水資源的價值表現(xiàn)為多維度、空間性和時間性等方面，具體表現(xiàn)為:

多維度:具有使用價值(如生產和生態(tài)功能)、非使用價值(選擇價值、存在價值、遺贈價值等)(圖4-5);

空間成本的差異:由于水資源具有不完全的流動性，導致了不同地區(qū)之間水資源的利用方式和途徑的不同，即區(qū)際差異顯著;

時間成本的差異:在水資源系統(tǒng)中，深層的地下水資源具有不可再生的屬性，人們利用需要考慮利用其現(xiàn)值的最優(yōu);即使對于可再生部分的水資源因為技術水平、資源儲量等因素的影響，相同水量的邊際價值也不盡相同。

根據(jù)水資源系統(tǒng)“易”理論的生命周期性特點和水資源的宏觀運行規(guī)律，對水資源利用價值伴隨水資源系統(tǒng)運行的時序變化情況進行系統(tǒng)動力學建模(圖4-6):

圖4-5　水資源的價值構成

圖4-6　水資源使用利用價值的系統(tǒng)動力學模型

上式中，S為水資源在t1至t2階段的累積使用價值; s為t1至t2階段內某一微分時刻的“瞬時”使用價值，其受到增長因素α和衰減因素β的雙重作用，能夠使水資源的整體使用價值增長的因素諸如凝聚了人類勞動的，抽取、調配、凈化、輸送等活動;對水資源的整體使用價值起到抑制和削減的因素諸如:經(jīng)過利用后水質變差造成水資源的使用價值降低，污水的再生處理、進一步利用其他非常規(guī)的水源雖然對水的使用價值本身有所提升，因為削弱了其稀缺性的影響，對整體水資源的使用價值是起到一定的抑制作用。

因為人工生態(tài)經(jīng)濟復合系統(tǒng)運行的客觀需要，水資源進入人工經(jīng)濟社會系統(tǒng)內后，伴隨人工作用，水資源附加有人類活動(提取、凈化、輸送、分配、二次供給、使用、再生、排放等)的價值，使得其不僅具有使用價值，而且具有使用價值，根據(jù)水資源的生命周期規(guī)律，其可分為:待利用期、預處理與輸配供給期、利用期、廢棄期四個階段(圖4-7)。

圖4-7　水資源的使用價值的周期性變化規(guī)律

待利用期　水資源從自然生態(tài)環(huán)境進入人工生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)之前和剛進入系統(tǒng)時，這個階段水資源基本上處于近似天然狀態(tài);

預處理與輸配供給期　水資源作為一種資源(某種情況下，可能是一種稀缺的資源)，人類根據(jù)自身的需要，對其進行了必要的“加工”，因此其狀態(tài)已經(jīng)由初期的近似天然的物質轉變?yōu)槟哿艘欢ㄈ祟悇趧拥摹吧唐贰?，并且在現(xiàn)代市場條件下，被賦予了一定的“交換價值”，通常這種價值是高于利用初期的使用價值的;

利用期　水資源經(jīng)歷了一定的“加工”和“轉化”后進入到人類經(jīng)濟社會的最終消費和使用階段，其價值的體現(xiàn)也達到了最高，并且這種利用過程相對較為短暫;

廢棄期　水的使用價值得到充分利用后，伴隨使用價值的迅速降低，其成為了一種“廢棄物”，不再被人類所需要，因此交換價值迅速降低，隨著水資源的稀缺和現(xiàn)代科學技術的進步，一部分污廢水通過一定的“再生”手段，可以恢復部分使用功能，提供給對其使用價值要求并不十分嚴格的用戶作為一種“邊緣資源”，因此，該階段水資源的使用價值并非迅速降低為0，之后伴隨在自然生態(tài)環(huán)境中經(jīng)歷一定時期水體自凈至下一個周期開始又成為新的水資源，其使用價值在一定程度上又得到逐漸上升。

第三節(jié)　基于“易”理論的水資源的分類與分質

一、水資源的分類

根據(jù)水資源系統(tǒng)“易”理論的有關思想和水資源在利用過程中用途和價值的不同，對水量和水質的要求也不盡相同。基于前面的相關研究，這里結合水資源的來源和利用的生命周期，將水資源分為新鮮水資源、過程水資源、邊緣水資源和虛擬水資源，前三者又稱為實體水資源(或稱為流動水資源)。

(1)新鮮水資源

新鮮水資源是指，未經(jīng)使用過的，幾乎可作為大部分用戶直接利用或簡單加工處理后即可使用的天然水資源。通常包括從地表水、地下水(滿足地區(qū)水功能區(qū)劃要求中相應的水質類別)提取而來。

在地球五大圈層中能夠真正有效聯(lián)通其他四大圈層的水資源，盡管從全球水文循環(huán)的角度考慮，其遵守物質守恒定律，但是，由于其在地球表面時空分布的不均，造成該類水資源實際上在一定時期內是一種有限、甚至是稀缺資源，并且該類水資源的取水量相對有保證、供水水質較為良好，可以說是一種清潔的多用途資源。因此，對該類水資源的利用應主要遵循“3R”原則中的“Reduce(減量化)”原則和可持續(xù)發(fā)展觀中有關代內公平和代際公平的原則，取用該類水資源時應科學規(guī)劃、合理調配、節(jié)約利用;禁止無序、過度、浪費該類水資源。

(2)過程水資源

過程水資源是指，進入人類經(jīng)濟社會系統(tǒng)內，經(jīng)過若干行為的接觸、以主要以流動形態(tài)被傳遞或輸移，并經(jīng)用戶使用的在人類經(jīng)濟社會活動過程中存在的水資源。該類水資源通常相對于新鮮水資源而言，其數(shù)量和理化性質要發(fā)生一定的變化，相應的使用價值也會隨之改變。如新鮮水資源經(jīng)過提純、凈化后價值會有所提升作為對水質要求較高的用途使用;如用作洗滌、冷卻、溶化等，水量會有所散失、水質會有所降低，其使用價值通常會下降。

鑒于其利用的種類和途徑繁多，因此應根據(jù)各自用水系統(tǒng)的功能要求和水質用途的不同，遵循“3R”原則中的“Reuse(再利用)”原則和自然規(guī)律和技術工程、特點，經(jīng)過水平衡分析后，按照對水質要求較高的用戶位于水資源利用流程中的上游，水質要求較低的用戶位于水資源利用流程中的下游，科學分類，周密布局、循序高效利用該類水資源。

(3)邊緣水資源(又稱，非常規(guī)水資源)

邊緣水資源是指，需在一定技術條件下，通過人工收集、處理與轉化或尚待開發(fā)利用的，易被忽略的和潛在的水資源。目前認識到的邊緣水資源通常包括，污(廢)水、雨洪水、固態(tài)的冰雪、苦咸水、嵌入在其他物質中的水(虛擬水)?，F(xiàn)有技術水平和經(jīng)濟成本條件下，在邊緣水資源中目前可用量較大的是污(廢)水和雨洪水。

對于邊緣水資源應遵循“3R”原則中的“Recycle(資源化)”原則和充分考慮技術條件、經(jīng)濟成本、公眾可接受的程度等因素，積極探索實踐，安全有序、穩(wěn)妥適度地推進邊緣水資源的開發(fā)利用，尤其是對于缺水地區(qū)，應加大對邊緣水資源的開發(fā)和利用。

(4)虛擬水資源(又稱，嵌入水資源)

虛擬水的概念最早由Tony Allan于20世紀90年代初正式提出，此前稱為嵌入水，是指生產農產品(后又拓展到非農產品)所需的水資源，其主要是嵌入或固著在物質產品中或隱藏在生產或服務的背后，具有隱蔽性、市場可交易性、隱含價值性、規(guī)模性等特點。其主要是“嵌入”到農產品和非農產品服務之中，通過虛擬水貿易，在一定程度上可以緩解缺水國家和地區(qū)的水資源緊張。

對于虛擬水資源，缺水地區(qū)可以通過適當交換或引入富水產品和服務替代在本地區(qū)生產和加工某些“富水”產品而對水資源的過度依賴。這對于以水資源消耗較大的產業(yè)為主的缺水地區(qū)更有實際意義。

二、水資源的分質利用

為解決水資源貧乏、緩解水資源供需矛盾和高效利用水資源，分質供水起初源于美國、丹麥、荷蘭等發(fā)達國家，其發(fā)展得也比較成熟。分質供水是指有兩套或兩套以上的管網(wǎng)系統(tǒng)，分別輸送不同水質等級的水，供給不同用途之用戶的一種供水方式。國內外對分質供水的理解也不盡相同(表4-1)。

表4-1　國內外分質供水系統(tǒng)

(1)小分質供水—直飲水系統(tǒng)

小分質供水—直飲水系統(tǒng)，是指以現(xiàn)行自來水為水源，在供水區(qū)內分散設置深度處理凈水站，城市自來水經(jīng)進一步處理，在現(xiàn)有給水管網(wǎng)的基礎上，另敷設一套專用飲水管道，供人們直接生飲。該種供水模式的優(yōu)點是城市水處理系統(tǒng)和市政管網(wǎng)系統(tǒng)無需改造，只需建立分散的處理點，省去了運輸，用戶可隨時開水龍頭取水但是由于分散處理點不便于管理，且處理設施受人口密度的影響大。

(2)小分質供水—中水系統(tǒng)

小分質供水—中水系統(tǒng)，即小區(qū)中水系統(tǒng)中水系統(tǒng)包括城市中水系統(tǒng)小區(qū)中水系統(tǒng)和獨立中水系統(tǒng)廣義上的小區(qū)中水系統(tǒng)可用在居住小區(qū)機關大院學校等建筑群。所謂小區(qū)中水系統(tǒng)是指在建筑小區(qū)內設置污水處理設施，以建筑小區(qū)內各建筑物用后排放的污水為水源，將其集中處理后，達到一定的標準回用于小區(qū)的綠化澆灌車輛沖洗道路沖洗家庭坐便器沖洗等，從而達到節(jié)約用水的目的。

(3)大分質供水—直飲水系統(tǒng)

大分質供水—直飲水系統(tǒng)同小分質供水—直飲水系統(tǒng)的最大不同就是供水范圍不同，前者在城市建立兩套供水系統(tǒng)，一套供少量直飲水，另一套供一般生活用水及工業(yè)用水。所謂大分質供水—直飲水系統(tǒng)是指在整個城市中建立專門的優(yōu)質直飲水處理廠或在給水廠中對部分自來水進行深度處理，然后另外敷設一套管道直接將這部分優(yōu)質直飲水輸送到用戶相比小分質供水直飲水系統(tǒng)，其優(yōu)點是便于管理和水質的監(jiān)測，保證水質安全性，更為重要是易于升級處理工藝以滿足未來發(fā)展的需要，具有一定的延續(xù)性但由此帶來的最大問題就是工程量比較大。

(4)大分質供水—優(yōu)水優(yōu)用系統(tǒng)

大分質供水—優(yōu)水優(yōu)用系統(tǒng)是分質供水系統(tǒng)的核心思想，也應是未來發(fā)展方向，其同國際意義上的分質供水理念也最為相近所謂大分質供水優(yōu)水優(yōu)用系統(tǒng)是指，在城市范圍內建立三套供水系統(tǒng)(飲用水系統(tǒng)工業(yè)用水系統(tǒng)雜用水系統(tǒng))，并本著優(yōu)水優(yōu)用的原則選擇原水，水質較好的地下水優(yōu)先用于居民生活，次用于對水質要求較高的食品醫(yī)藥等行業(yè)，中水主要用于工業(yè)農業(yè)灌溉和環(huán)境生態(tài)用水此外，一些沿海城市也充分利用海水資源充足這一優(yōu)勢，把海水替代淡水作為工業(yè)冷卻水，主要應用于電力、冶金、化工、石油、煤炭、建材等行業(yè)，也被廣泛用于生活雜用水，包括沖廁、洗滌除塵沖灰等，據(jù)統(tǒng)計，海水沖廁可節(jié)約35%左右的城市生活淡水。

第四節(jié)　基于“易”理論的水資源系統(tǒng)運行特點

一、相互制約，對立統(tǒng)一

水資源系統(tǒng)與周圍的生態(tài)環(huán)境之間的關系是相互制約的矛盾統(tǒng)一體，系統(tǒng)外自然生態(tài)環(huán)境的良好維護與不斷改善，有助于水資源質量的保持和提升，能夠有效保障區(qū)域供水安全;而當生態(tài)環(huán)境惡化時，水資源的質量必然會受到影響，可利用的水資源量就會減少，進而影響到系統(tǒng)內用水安全。同時，在水資源系統(tǒng)中，供水與需水也是相互作用、相互影響的。由于地區(qū)對水資源需求能力的不斷增長，促使水資源供給保障能力的不斷提升;反之，水資源供給能力的不斷增強也刺激了地區(qū)需用水量的增長。

二、相互對稱，動態(tài)均衡

水資源作為一種流動的物質，隨著經(jīng)濟社會的向前發(fā)展和人們利用程度的不斷變化，供給水量和需求水量之間必然存在動態(tài)趨于平衡的關系。當這種關系失調時，比如需水量明顯大于供水量時，就迫使外調更多的水資源以滿足新增需水用戶;當供水量明顯過盈時，需水量便會相應的增加，達到或逐漸超過供水量的需求;因為外調水量的限制不可能無限制地調用，所以人們利用程度和利用效率總體會不斷提高，單位需水量就會減少，用水需求的增長可能會放緩?？傮w上，“供”與“需”在數(shù)量和質量上會趨于動態(tài)平衡。

三、相互交織，耦合關聯(lián)

水資源系統(tǒng)中諸用水單元(用戶)，諸如農業(yè)灌溉、工業(yè)生產、城鄉(xiāng)生活、生態(tài)改善等都需要水資源作為支撐條件，確保各用戶自身的健康、有序發(fā)展。因在水資源調用系統(tǒng)中，系統(tǒng)內諸要素通過物質流、能量流、信息流、價值流等形式相互交織，耦合關聯(lián)，系統(tǒng)與外界環(huán)境也關系密切，并且系統(tǒng)中各用戶對水資源需求的數(shù)量和質量不同，確定各用戶合適的用水指標和定額，以確保有限的水資源得到最大限度的發(fā)揮效益至關重要。

四、相互轉化，循環(huán)再生

水資源系統(tǒng)是動態(tài)和開放的系統(tǒng)。水不僅在地域空間上動態(tài)流動，而且在存在的三種狀態(tài)和臨界態(tài)之間上不斷變化。此外，水之所以通常以液態(tài)形式更多地被人類廣泛利用是因為液態(tài)的水資源在常溫常壓下更容易被作為運載物質和傳導能量的載體，與此同時，信息和價值也通過水的利用被交換和轉達。一個周期內，在人工生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)內，水從上游(可以使地理空間上的，也可以是利用環(huán)節(jié)上的)至下游的流動不斷地有物質能量進出交換，殘留在水中的“廢棄物”不斷地累積，最終成為污廢水，通過必要的技術手段，經(jīng)過脫除“廢棄物”后的再生水可以作為下一個周期水循環(huán)的上游資源加以利用。

五、相互協(xié)調，和諧共生

水資源系統(tǒng)與自然環(huán)境和生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)之間是相互協(xié)調的，水資源系統(tǒng)是動態(tài)的，并貫穿于自然環(huán)境與生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)之間的“紐帶”系統(tǒng)，他們之間是相互協(xié)調，和諧共生的關系。自然環(huán)境受到影響和破壞，必然影響水資源系統(tǒng)的正常運行，同時也影響到人類活動所處的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng);當人類的利用方式違背自然規(guī)律并對水資源構成脅迫和干擾，同時也必然影響到自然生態(tài)環(huán)境，因為無論是人類生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)還是自然生態(tài)環(huán)境，其能否健康維系和運行，都需要水資源作為支撐和保障，因此這三者是相互依賴、協(xié)調共生的關系。

第五節(jié)　現(xiàn)代水資源利用與管理的評價方法

一、模糊綜合評價法

模糊評價法是運用模糊集理論對系統(tǒng)進行綜合評價和決策的一種方法，可以獲得各候選方案優(yōu)先順序的有關信息。

(1)模糊評價法所涉及的基本概念

1)評價指標集F，描述對各種侯選方案進行綜合評價的指標或準則，記為:

F=(f1，f2，…，fn)

其中f1，f2，…，fn為各評價指標或準則，n為評價指標的個數(shù)。

評價指標集也可以是一個多級遞階結構的集合。

對不同的評價指標，應給以不同的權重W，記為

W=(w1，w2，…，wn)

2)評價尺度集E，描述對每一評價指標進行評價的尺度，記為

E=(e1，e2，…，en)

其中，m為評價尺度集中評價尺度的個數(shù)。

評價尺度的分級可采用等級方式或分數(shù)方式，如

E=(優(yōu)，良，合格，不合格) E=(0.9，0.7，0.5，0.3)

或

3)隸屬度 ，描述對候選方案Ak而言，用第fi評價指標作出第ej評價尺度的可能程度。對方案Ak的所有評價指標的隸屬度組成隸屬度矩陣 ，該矩陣是一個模糊關系矩陣，記為:

在矩陣中，元素 可根據(jù)參加評價的專家作出的評價結果計算，即

式中d表示參加評價的專家人數(shù)，表示對方案Ak的第i項評價指標fi作出ej評價尺度的專家人數(shù)。顯然，=1。

(2)模糊評價法的一般步驟

1)邀請有關方面的專家組成評價小組;

2)通過討論，確定系統(tǒng)評價指標集F，F(xiàn)=( f1，f2，…，f n)，

確定每一評價指標的評價尺度集E，E=( e1，e2，…，e m);

3)通過層次分析法之類的方法，或根據(jù)專家們的經(jīng)驗，確定各評價指標的權重W，

W=(w1，w2，…，wn)

4)對每一候選方案構造隸屬度矩陣

5)根據(jù)模糊理論的綜合評價概念，計算每一候選方案的綜合評定向量 對候選方案Ak而言，

即 S～k為將向量W進行 R～k 的模糊變換。

在實際問題中，可把模糊變換“O”轉化為模糊線性加權變換，即:

6)最后根據(jù) 對各候選方案進行評價。根據(jù)評價尺度的不同表達方式通常采取以下兩種評價方法:

①對于采用等級方式評價尺度的情況，按照最大接近度的原則來綜合判定各候選方案的等級;設sl=max si，1≤i≤m，計算出，

若則按si所屬的評價等級評價，即等級為E的第l級。

若則按Sl-1所屬的評價等級評價，即等級為E的第(l-1)級。

若則按Sl+1所屬的評價等級評價，即等級為E的第(l+1)級。

如:對E=(優(yōu)，良，中，差)，若 =(0.26，0.16，0.21，0.37)

則綜合判斷: l=4=0.5

結論方案Ak的等級屬于(l-1)=3級，即“中”級。

②對于采用分數(shù)方式評價尺度的情況，則需計算各候選方案的優(yōu)先度，即

根據(jù)各候選方案優(yōu)先度Nk的大小，即可按照優(yōu)先度，的大小順序對各方案進行優(yōu)先順序的排列。

二、層次分析法

(1)建立遞階層次結構

應用AHP解決實際問題，首先明確要分析決策的問題，并把它條理化、層次化，理出遞階層次結構。

AHP要求的遞階層次結構一般由以下三個層次組成:

目標層(最高層):指問題的預定目標;

準則層(中間層):指影響目標實現(xiàn)的準則;

措施層(最低層):指促使目標實現(xiàn)的措施;

通過對復雜問題的分析，首先明確決策的目標，將該目標作為目標層(最高層)的元素，這個目標要求是唯一的，即目標層只有一個元素。然后，找出影響目標實現(xiàn)的準則，作為目標層下的準則層因素，在復雜問題中，影響目標實現(xiàn)的準則可能有很多，這時要詳細分析各準則因素間的相互關系，即有些是主要的準則，有些是隸屬于主要準則的次準則，然后根據(jù)這些關系將準則元素分成不同的層次和組，不同層次元素間一般存在隸屬關系，即上一層元素由下一層元素構成并對下一層元素起支配作用，同一層元素形成若干組，同組元素性質相近，一般隸屬于同一個上一層元素(受上一層元素支配)，不同組元素性質不同，一般隸屬于不同的上一層元素。在關系復雜的遞階層次結構中，有時組的關系不明顯，即上一層的若干元素同時對下一層的若干元素起支配作用，形成相互交叉的層次關系，但無論怎樣，上下層的隸屬關系應該是明顯的。最后分析為了解決決策問題(實現(xiàn)決策目標)、在上述準則下，有哪些最終解決方案(措施)，并將它們作為措施層因素，放在遞階層次結構的最下面(最低層)。

明確各個層次的因素及其位置，并將它們之間的關系用連線連接起來，就構成了遞階層次結構(圖4-8)。

圖4-8　水資源的使用價值的周期性變化規(guī)律

(2)構造判斷矩陣并賦值

根據(jù)遞階層次結構就能很容易地構造判斷矩陣。

構造判斷矩陣的方法是:每一個具有向下隸屬關系的元素(被稱作準則)作為判斷矩陣的第一個元素(位于左上角)，隸屬于它的各個元素依次排列在其后的第一行和第一列。

重要的是填寫判斷矩陣。填寫判斷矩陣的方法有:

大多采取的方法是:向填寫人(專家)反復詢問:針對判斷矩陣的準則，其中兩個元素兩兩比較哪個重要，重要多少，對重要性程度按1-9賦值(重要性標度值見表4-2)。

表4-2　重要性標度含義表

設填寫后的判斷矩陣為A=(aij)n×n，判斷矩陣具有如下性質:

1) aij＞0

2) aji=1/aji

3) aii=1

根據(jù)上面性質，判斷矩陣具有對稱性，因此在填寫時，通常先填寫aii=1部分，然后再僅需判斷及填寫上三角形或下三角形的n(n-1)/2個元素就可以了。

在特殊情況下，判斷矩陣可以具有傳遞性，即滿足等式: aij×ajk=aik

當上式對判斷矩陣所有元素都成立時，則稱該判斷矩陣為一致性矩陣。

(3)層次單排序(計算權向量)與檢驗

對于專家填寫后的判斷矩陣，利用一定數(shù)學方法進行層次排序。

層次單排序是指每一個判斷矩陣各因素針對其準則的相對權重，所以本質上是計算權向量。計算權向量有特征根法、和法、根法、冪法等，這里簡要介紹和法。

和法的原理是，對于一致性判斷矩陣，每一列歸一化后就是相應的權重。對于非一致性判斷矩陣，每一列歸一化后近似其相應的權重，在對這n個列向量求取算術平均值作為最后的權重。具體的公式是:

需要注意的是，在層層排序中，要對判斷矩陣進行一致性檢驗。

在特殊情況下，判斷矩陣可以具有傳遞性和一致性。一般情況下，并不要求判斷矩陣嚴格滿足這一性質。但從人類認識規(guī)律看，一個正確的判斷矩陣重要性排序是有一定邏輯規(guī)律的，例如若A比B重要，B又比C重要，則從邏輯上講，A應該比C明顯重要，若兩兩比較時出現(xiàn)A比C重要的結果，則該判斷矩陣違反了一致性準則，在邏輯上是不合理的。

因此，在實際中要求判斷矩陣滿足大體上的一致性，需進行一致性檢驗。只有通過檢驗，才能說明判斷矩陣在邏輯上是合理的，才能繼續(xù)對結果進行分析。

一致性檢驗的步驟如下。

第一步，計算一致性指標C.I.(consistency index)

第二步，查表確定相應的平均隨機一致性指標R.I.(random index)

據(jù)判斷矩陣不同階數(shù)查下表，得到平均隨機一致性指標R.I.。例如，對于5階的判斷矩陣，查表得到R.I.=1.12

表4-3　平均隨機一致性指標R.I.表(1000次正互反矩陣計算結果)

第三步，計算一致性比例C.R.(consistency ratio)并進行判斷

當C.R.＜0.1時，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的，C.R.＞0.1時，認為判斷矩陣不符合一致性要求，需要對該判斷矩陣進行重新修正。

(4)層次總排序與檢驗

總排序是指每一個判斷矩陣各因素針對目標層(最上層)的相對權重。這一權重的計算采用從上而下的方法，逐層合成。

很明顯，第二層的單排序結果就是總排序結果。假定已經(jīng)算出第k-1層m個元素相對于總目標的權重w(k-1)=(w1(k-1)，w2(k-1)，…，wm(k-1))T，第k層n個元素對于上一層(第k層)第j個元素的單排序權重是pj(k)=(p1j(k)，p2j(k)，…，pnj(k))T，其中不受j支配的元素的權重為零。令P(k)=(p1(k)，p2(k)，…，pn(k))，表示第k層元素對第k-1層個元素的排序，則第k層元素對于總目標的總排序為:

w(k)=(w1(k)，w2(k)，…，wn(k))T=p(k) w(k-1)

或　I=1，2，…，n

同樣，也需要對總排序結果進行一致性檢驗。

假定已經(jīng)算出針對第k-1層第j個元素為準則的C.I.j(k)、R.I.j(k)和C.R.j(k)，j=1，2，…，m，則第k層的綜合檢驗指標

C.I.j(k)=(C.I.1(k)，C.I.2(k)，…，C.I.m(k))w(k-1)

R.I.j(k)=(R.I.1(k)，R.I.2(k)，…，R.I.m(k))w(k-1)

當C.R.(k)＜0.1時，認為判斷矩陣的整體一致性是可以接受的。

(5)結果分析

通過對排序結果的分析，得出最后的決策方案。

三、投影尋蹤評價模型

投影尋蹤方法最早出現(xiàn)于20世紀60年代末，Krusca首先使用投影尋蹤方法，把高維數(shù)據(jù)投影到低維空間，通過計算，極大化一個反映數(shù)據(jù)聚集程度的指標，從而找到反映數(shù)據(jù)結構特征的最優(yōu)投影方向。它是用來分析和處理高維觀測數(shù)據(jù)，尤其是對于非線性、非正態(tài)高維數(shù)據(jù)的一種新型統(tǒng)計方法。目前已廣泛地應用于分類、模式識別、遙感分類、圖像處理等領域。具體應用過程如下:

設投影尋蹤問題的多指標樣本集為{x(i，j )│ i=1，…，m; j=1，…，n}，其中，m是樣本的個數(shù)，n為指標個數(shù)。建立投影尋蹤模型的步驟如下:

(1)數(shù)據(jù)預處理

樣本評價指標集的歸一化處理，消除各指標值的量綱和統(tǒng)一各指標值的變化范圍。對于越大越優(yōu)的指標: x*(i，j)=(x(i，j)-x min(j))/(x max(j)-x min(j)) (1);對于越小越優(yōu)的指標: x*(i，j)=(x max(j)-x(i，j))/(x max(j)-x min(j)) (2);其中，x max(j)x min(j)為第j個指標的最大值、最小值。

(2)構造投影指標函數(shù)

設A( j)為投影方向向量，樣本i在該方向上的投影值為: Z(i)=A(j)* X(i，j)(3)

即構造一個投影指標函數(shù)Q(A)作為確定投影方向優(yōu)化的依據(jù)，當指標達到極大值時，就認為是找到了最優(yōu)投影方向。在優(yōu)化投影值時，要求Z(i)的分布特征應滿足:投影點局部盡可能密集，在整體上盡可能散開。因此，投影指標函數(shù)為: Q(A)=Sz* Dz，式中: Sz—類間散開度，可用Z(i)的標準差代替; Dz—類內密集度，可表示為Z(i)的局部密度。其中:

—序列{Z(i ) │i=1～m}的均值; R是由數(shù)據(jù)特征確定的局部寬度參數(shù)，其值一般可取0.1* S z，當點間距值rij小于或等于R時，按類內計算，否則按不 同的類記; rij =│Z(i)-Z(j )│;符號函數(shù)I(R-rij)為單位階躍函數(shù)，當R(rij時函數(shù)值取1，否則取0。

(3)估計最佳投影方向

通過求解下面的優(yōu)化模型來計算最佳投影方向:

目標函數(shù): max Q(A);約束條件:

(4)等級評價

得到近似最佳投影方向后，計算各等級樣本點的投影值，建立等級評價方法，并對待評價樣本進行歸一化處理后計算其投影值，按等級評價標準，確定待評樣本所屬類別。

四、Shepard插值模型

設根據(jù)水質評價標準表產生的某次水樣的標準水質等級及其水質指標分別為y(i)及{x*(i，j )│ j=1～m}，i=1～n。其中，n、m分別為樣本容量和水質指 標數(shù)目。污染越嚴重，水質等級就越高，最低水質等級設為1、最高水質等級設為N。為消除各水質指標的量綱效應，使建模具有一般性，對水質指標進行標準化處理

x(i，j)=［x*(i，j)-Ex(j)］/Sx(j)

式中: Ex(j)、Sx(j)分別為原第j個水質指標{x*(i，j )│ i=1～n}的均值和標準差。Shepard插值的基本思想是，當?shù)玫窖芯克w的水質指標值{x(n+1，j) │j=1～m}后，利用上述n個樣本內插研究水體的水質等級yc(n+1)，使下式:

達到最小。上式中:

式中: di為第i個樣本的水質指標與研究水體水質指標之間的距離: wi為權重，表示第i個樣本對內插研究水體的水質等級yc(n+1)的貢獻大小; b為待定參數(shù)，一般為大于1的常數(shù)，b取得越大，則在點{x(n+1，j )│j=1～m}附近的擬合曲面將變得越平坦，而使遠離點{x(n+1，j )│j=1～m}處的擬合曲面將變得越陡峻。對式(2)求導數(shù)并令其為0，可解得最小值為:

這就是所求的對應點{x(n+1，j )│j=1～m}的水質等級值。建立SP模型的步驟可歸納為如下3步:

根據(jù)水質評價標準表隨機生成水質等級樣本系列x(i，j)及y(i)，i=1～n，j=1～m;

根據(jù)樣本系列對參數(shù)b進行優(yōu)化估計。在樣本系列中任取某樣本i，由其它n-1個樣本進行Shepard插值，得到相應于水質等級y(i)的插值記為yc(i)?？赏ㄟ^求解如下優(yōu)化問題來優(yōu)化估計參數(shù)b

式中的區(qū)間是根據(jù)筆者的經(jīng)驗確定的。這是一個一維非線性優(yōu)化問題，模擬生物進化過程中優(yōu)勝劣汰規(guī)則與群體內部染色體信息交換機制的加速遺傳算法(Accelerating Genetic Algorithm，簡稱AGA)，這是一種通用的全局性優(yōu)化方法，用它來求解該問題顯得十分簡便而有效。

進行水質綜合評價。當?shù)玫窖芯克w各水質指標值{x(n+1，j ) │j=1～ m}后，與樣本系列一起代入式中，即可由n個樣本內插出研究水體的水質等級yc(n+1)，作為該次水質綜合評價的結果。

此外，還有如數(shù)據(jù)包絡分析(DEA)和隨機前沿法(SFA)等。

第六節(jié)　現(xiàn)代水資源系統(tǒng)SD建模工具

對水資源系統(tǒng)研究須涉及人工生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)內部(主要是“調水”與“用水”)的關系和系統(tǒng)與其外自然生態(tài)環(huán)境之間(主要是“取水”與“排水”)的關系，應考慮到整體性、系統(tǒng)性、動態(tài)性、循環(huán)性等因素，同時，結合水資源系統(tǒng)“易”理論的基本特點，確定主要的研究方法是采用系統(tǒng)動力學的方法，在實證研究部分將運用該法對典型水資源系統(tǒng)運行進行建模與仿真。這里，對系統(tǒng)動力學概述之。

一、SD的創(chuàng)建與機理

系統(tǒng)動力學(System Dynamics，SD)是由美國麻省理工學院(MIT)的Jay W.Forrester教授為首的SD小組于1956年創(chuàng)立并發(fā)展起來的一門結合了系統(tǒng)論、控制論、決策論、信息論、計算機仿真等相關的理論的學科。在其后的發(fā)展中迅速成為現(xiàn)代決策與工程管理方面的重要方法和工具。

系統(tǒng)動力學作為一門以信息反饋控制理論為基礎，以計算機仿真技術為手段，主要用以研究系統(tǒng)動態(tài)復雜性的科學。其更強調從系統(tǒng)整體結構來考慮，解構和定量分析系統(tǒng)中各組成要素之間的交互關系，通過模擬顯示系統(tǒng)的組成結構、延遲變化等情況，進而揭示系統(tǒng)變化的本質規(guī)律和整體動態(tài)運行的基本機制。系統(tǒng)動力學在面對復雜的實際問題時，從研究系統(tǒng)的微觀結構入手，建立系統(tǒng)的仿真模型，并對模型實施不同的策略實驗，通過仿真技術，展示系統(tǒng)宏觀運行狀況，尋求問題解決的最優(yōu)方案。鑒于系統(tǒng)動力學具有復雜的非線性系統(tǒng)的獨特優(yōu)勢，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地應用于社會、經(jīng)濟、管理、環(huán)保等各研究領域。此外，它作為決策者模擬研究對象在未來真實世界的變化情況，能夠較為方便地預測結果的發(fā)展態(tài)勢，因為也被稱為“戰(zhàn)略與決策實驗室”。

二、SD的發(fā)展歷程

系統(tǒng)動力學自20世紀50年代創(chuàng)始之后，初期主要在國外尤其是發(fā)達國家被應用于工業(yè)企業(yè)管理中的人員管理，股市的波動和使用的變化的經(jīng)濟領域。因此，其早期也被稱為“工業(yè)動力學”。之后，從民用擴大為軍用，從科研、工程設計到城市管理，甚至被用于人口變化、變動和醫(yī)學等各個領域。鑒于其被研究和應用的領域已經(jīng)遠遠超出了當初的應用范疇，因此后來改稱為“系統(tǒng)動力學”。20世紀60年代，F(xiàn)orrester教授的Industry Dynamics(《工業(yè)系統(tǒng)動力學》)重點闡述了系統(tǒng)動力學的基本原理和應用，成為后來系統(tǒng)動力學的經(jīng)典著作;其后的Principles of systems(《系統(tǒng)原理》)則側重于介紹系統(tǒng)的基本結構; Urban Dynamics(《城市動力學》)重點對美國城市發(fā)展的興衰歷程進行了相關的理論和應用研究。進入20世紀70年代，在羅馬俱樂部關注世界面臨人口不斷增長和資源日漸枯竭的矛盾背景下，研究者期望用系統(tǒng)動力學對這一復雜問題進行剖析并得出成果，Meados在Forrester教授的WorldⅡ模型的基礎上，研究并發(fā)表了諸如: World Dynamics(《世界動力學》)，The Limits to Growth(增長的極限))，Toward Global Equilibrium(趨向全球均衡))等一系列著作，進而推出的WorldⅢ模型。之后，F(xiàn)orrester教授等人又運用系統(tǒng)動力學先后對美國全國的經(jīng)濟社會進行了相關研究和研究并揭示西方發(fā)達國家的經(jīng)濟長波的形成機理，并與20世紀80年代著書公開發(fā)表。之后，MIT的系統(tǒng)動力學小組將教學、科研與應用緊密結合，培養(yǎng)了大批系統(tǒng)動力學方面的人才，推動了該學科向世界傳播的步伐。

系統(tǒng)動力學在我國發(fā)展起步較晚，20世紀80年代，上海交通大學的王其藩教授和上海機械學院楊通宜教授等人對系統(tǒng)動力學在我國的傳播，做出了重要的貢獻。最初主要用于社會經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略研究，如，上海交通大學應用該模型進行了發(fā)展戰(zhàn)略研究;華東師范大學為福建建陽做了地區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略研究;北京大學為內蒙古東部做了發(fā)展戰(zhàn)略研究等。目前，系統(tǒng)動力學已經(jīng)成為自然科學與社會科學中系統(tǒng)模擬的主要工具之一，并被用于工程設計、環(huán)境保護、企業(yè)系統(tǒng)管理、城市發(fā)展與規(guī)劃、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、國土資源的開發(fā)與整治等眾多研究領域。

三、SD的主要特點

系統(tǒng)動力學既作為一門研究區(qū)域經(jīng)濟、社會發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護等方面的學科，集系統(tǒng)論、反饋論與信息論于一體，具有高度非線性、高階次、多變量、多重反饋、復雜時序的特點，強調從動態(tài)的、系統(tǒng)的、相互聯(lián)系相互作用的角度去研究和分析問題。其研究的對象通常都具有開放性、復雜性、多維性的特征。

系統(tǒng)動力學是通過定性與定量相結合的手段和結構——功能模擬的方式，構造系統(tǒng)的基本結構，使系統(tǒng)內不確定的因素盡可能“白化”，通過對實際系統(tǒng)的概化和適當?shù)靥幚?，進而模擬系統(tǒng)的動態(tài)行為，使問題的研究逐漸變?yōu)榭蔀檠芯空卟倏?。通過經(jīng)驗剖析系統(tǒng)中各變量要素的關系，進而尋求解決問題的方法。其整個建模的過程也是系統(tǒng)自我學習的過程，通過系統(tǒng)建模，也為研究者提供對問題對象的學習、分析和解決策略的模擬平臺，即使得整個研究過程也同時是不斷學習和反復實踐的自我創(chuàng)造過程。系統(tǒng)動力學較好地實現(xiàn)了研究人員、決策人員的結合。系統(tǒng)動力學具體具有如下特點:

結構與功能相統(tǒng)一。研究者從系統(tǒng)的微觀結構入手，通過構建系統(tǒng)的正、負反饋回路，研究系統(tǒng)的構成特征和系統(tǒng)的功能行為。

開放性與動態(tài)反饋。系統(tǒng)動力學研究的對象是個開放的系統(tǒng)，對系統(tǒng)的研究是從聯(lián)系、發(fā)展、運動的觀點出發(fā)思考問題，系統(tǒng)內部各要素之間存在著動態(tài)反饋的相互作用機制。

整體性與層次性。對系統(tǒng)的分析通常是按照自頂向下、由外而內、由粗到細的過程分解系統(tǒng)。

協(xié)同性與相關性。根據(jù)自組織理論，系統(tǒng)動力學研究系統(tǒng)由混沌無序演化為穩(wěn)定有序，系統(tǒng)中各要素存在著一定的因果關系。

王其藩等認為，從系統(tǒng)方法論來講，系統(tǒng)動力學方法是結構方法、功能方法和歷史方法的辯證統(tǒng)一，最適于研究復雜系統(tǒng)的結構、功能與行為之間動態(tài)的辯證對立統(tǒng)一關系。

四、SD建模的基本原理

(1) DYNAMO基本術語

DYNAMO(Dynamic Models)是一種計算機模擬語言，其設計的主旨是借助計算機工具構建真實系統(tǒng)的模型，并進行系統(tǒng)結構和功能的分析與行為的系統(tǒng)動態(tài)模擬，以下對DYNAMO語言的基本定義做以簡要說明:

1)變量

系統(tǒng)動力學通常采用計算機模擬語言DYNAMO語言來編譯。采用的變量主要有:水平變量、速率變量、輔助變量、常數(shù)。

水平變量，即狀態(tài)變量，用于描述系統(tǒng)的狀態(tài)，反應系統(tǒng)變量隨時間累積的過程，其受速率變量的直接影響。

速率變量，用于描述水平變量的時間變化，通常取區(qū)間段內的平均速率。

輔助變量，用于描述速率變量與狀態(tài)變量之間的中間變量。

常數(shù)，在系統(tǒng)中，隨時間變化不明顯的參數(shù)。

2)方程

水平變量方程，通常用“”和字母“L”來表示，表示累積變化的情況，其積分方程表達式為:

式中: L0為初始狀態(tài)值; L為t時段后的值; RA為一時段內的流入速率; RS為一時段內的流出速率; t為時間。

上式，一般可用差分方程表示如下:

L.K=L.J+DT*(RA.JK-RS.JK)

速率變量方程，是用來實現(xiàn)系統(tǒng)內物質流的控制。速率方程的輸出控制著水平變量方程的增減和在水平變量之間的物質流動。速率變量是水平變量和參變量的方程，用“”和字母“R”表示。

輔助變量方程，是為便于確定和編寫速率變量方程，同時也便于觀察外部變量對系統(tǒng)的影響，需要用若干輔助方程對速率變量方程進行定義，用字母“A”表示。

常量方程，是與水平變量方程共同決定速率變量的變化。用字母“C”表示。

初始值方程，是為水平變量方程或某些常數(shù)賦予的初始值。

3)源與匯

源是實物流的發(fā)源地，是從系統(tǒng)外進入系統(tǒng)內的流，用“”表示。

匯是實物流的匯集地，是從系統(tǒng)內流向系統(tǒng)外的流，用“”表示。

4)表函數(shù)

表函數(shù)是自變量與因變量之間通過列表給出的函數(shù)。當不能用函數(shù)或輔助方程來定義系統(tǒng)中某些變量之間的非線性關系，或常量在模擬過程中需要改變其值時，可以使用DYNAMO語言中的表函數(shù)來刻畫。通常是通過定性和定量相結合的方法，依賴于離散的點來描述變量的非線性關系。

5)因果回路圖

因果圖是描述變量之間的因果關系，若變量A為因，變量B為果，則二者之間的因果關系有:

當若干變量之間存在影響，并形成一個閉合的回路因果，即為因果反饋回路。因果反饋回路包括正反饋回路和負反饋回路:當回路中變量之間的全部為正相關或負相關性個數(shù)為偶數(shù)時，整個回路即為正反饋回路(圖4-9a);否則為負反饋回路(圖4-9b)。

圖4-9　因果反饋回路圖圖

6)系統(tǒng)流圖

在對系統(tǒng)因果關系分析的基礎上，為反映實際系統(tǒng)結構和功能，采用特定的描述符號，表征各變量之間的物質流動的相互關系，故稱其為系統(tǒng)流圖或系統(tǒng)結構圖(如圖4-10)。

圖4-10　一個典型的系統(tǒng)流圖實例

(2)建模的基本原則

系統(tǒng)動力學依據(jù)系統(tǒng)的性質和特征，建模應遵循以下主要原則:

系統(tǒng)能完整地用水平變量加以描述;

模型中每一回路至少應包含一個水平變量，且兩個水平變量之間不能直接相互影響;

任何速率變量之間不能直接相互影響;

物質守恒原則;

各方程左右兩邊的量綱須一致。

(3)建模的基本步驟

運用系統(tǒng)動力學對問題進行研究時，需要以系統(tǒng)思維的方式，對問題進行整體思考，重點要從整體的角度考慮問題，通過結構功能分析，明確系統(tǒng)中諸要素之間的相互作用關系，并用定性和定量的方法構建方程并模擬運行和適時調整。

1)問題的識別與系統(tǒng)的定義

了解問題的所在和主要任務，確認必要的假設條件，明確系統(tǒng)的特性，對問題涉及的主要變量進行系統(tǒng)定義。

2)確定系統(tǒng)結構與系統(tǒng)中要素的因果關系

依據(jù)建模的目的和主要任務，確定系統(tǒng)邊界;

明確系統(tǒng)中諸要素的因果關系;

確定系統(tǒng)中具有積分意義的水平變量和具有微分意義的速率變量;

確定其他變量和參數(shù)。

3)構建系統(tǒng)動力學模型

依據(jù)系統(tǒng)中諸要素的因果關系逐步完善系統(tǒng)的結構并繪制完成系統(tǒng)流圖。

4)對模擬結果進行分析

不斷調試某些變量參數(shù)，觀察系統(tǒng)的模擬運行情況和模擬結果。

5)制定相應的調控政策

根據(jù)模擬的情況，對研究的問題提出并制定相應的調控政策。

五、SD建模的主流軟件

運用系統(tǒng)動力學進行科研的軟件工具最早產生于20世紀50年代左右。起初被稱為SIMPLE，后改進為DYNAMO。進入20世紀80年代后，伴隨計算機技術及相關的計算機語言的發(fā)展，以用戶窗口界面為代表的軟件工具逐步發(fā)展起來。目前，國內外常用的系統(tǒng)動力學軟件工具主要有:

DYNAMO:由Forrester教授創(chuàng)立于20世紀60年代，是一種用來翻譯并操作運算的一組微分或差分方程式，不具備圖形化界面，只能以傳統(tǒng)的DYNAMO語言進行編譯;

STELLA:運用圖形界面進行系統(tǒng)動力學模擬的一款軟件。其系統(tǒng)動力學的仿真結果可以通過動畫的方式顯示輸出，主要用于科研和教育方面;

Ithink:與STELLA同屬一個研發(fā)團隊開發(fā)而來，其應用主要定位為企業(yè)及組織流程模型的構建與仿真;

Powersim:類似STELLA，由挪威政府贊助于20世紀80年代開發(fā)而成。具備圖形交互界面，其內部的運算統(tǒng)計分析功能較為完善;

AnyLogic是一種夠進行基于主體建模的系統(tǒng)仿真工具，它具有開放式的體系結構，可與其他一些軟件兼容，支持系統(tǒng)動力學的所有元素(如流圖，各種變量，反饋回路，表格功能，數(shù)組等);

Venism:開發(fā)于20世紀80年代，主要用戶為企業(yè)、教育、科研。通常教學和實驗所使用的為免費的Venism PLE(即個人學習版)。該軟件利用圖示化編程建立模型，在Windows環(huán)境下運行，穩(wěn)定性和兼容性較好，數(shù)據(jù)共享能力較強，操作簡便，輸出方式靈活，對仿真結果可進行數(shù)據(jù)集分析。運用該軟件進行系統(tǒng)動力學研究的基本步驟見圖4-11。

圖4-11　Venism平臺下的系統(tǒng)動力學建模基本步驟

第七節(jié)　現(xiàn)代水資源管理GIS開發(fā)工具

一、水資源管理GIS開發(fā)基本原則

現(xiàn)代水資源綜合管理信息系統(tǒng)以GIS技術、數(shù)據(jù)庫技術、計算機網(wǎng)絡技術為基礎，以地區(qū)主要環(huán)境信息和空間信息為核心，利用GIS技術對水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水文化、水景觀等要素進行綜合分析，通過強大的信息處理功能，使得所有查詢及分析結果以地圖、文本、圖表等方式可視化、直觀、生動地顯示出來，是一個集易用性、交互性、開放性、可擴充性、智能化等優(yōu)點于一身的水資源綜合規(guī)劃管理專業(yè)支持系統(tǒng)。本系統(tǒng)不僅為地區(qū)水資源綜合規(guī)劃的資料整編、各專題交流協(xié)調成果展示提供了一個理想的平臺，而且為地區(qū)的水資源綜合管理打下了良好的基礎，為水務一體化科學管理和決策提供先進的科學手段。

水資源綜合管理信息系統(tǒng)(WRCMIS)的開發(fā)，是在整理分析現(xiàn)有資料的基礎上，綜合運用計算機、水文水資源、地理信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信等多方面技術，將基礎信息的管理、區(qū)域水資源規(guī)劃、局部地表與地下水運動的數(shù)值模擬、圖形顯示等融為一體，集成水資源管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)基本信息查詢、水量水質計算、污染物的監(jiān)測與控制、水環(huán)境評價等功能，為水資源的科學管理、合理配置等決策提供技術支持服務。

水資源管理信息系統(tǒng)是個復雜的綜合系統(tǒng)，包括管理信息系統(tǒng)(MIS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、決策支持系統(tǒng)(DSS)、辦公自動化(OA)等。

為更好實現(xiàn)水資源管理系統(tǒng)的預定目標和功能，建成一個適用、先進、高效、可靠的水資源管理信息化、現(xiàn)代化的平臺，系統(tǒng)開發(fā)應遵循以下原則:

技術適用原則

在適用的前提下力求先進，把水資源管理過程中的新思想、新方法融入到系統(tǒng)的開發(fā)中，真正做到數(shù)據(jù)與圖形相融合、GIS與數(shù)學模型相結合，把科學計算的結構通過三維情景表現(xiàn)和動態(tài)顯示的形式直觀表現(xiàn)。

系統(tǒng)開放原則

水資源管理信息系統(tǒng)建設不是一蹴而就，而是分階段逐步實施的。因此，本系統(tǒng)采用開放式結構，在軟硬件方面，保證具有良好的擴展性，以便今后系統(tǒng)不斷地升級完善。

標準規(guī)范原則

系統(tǒng)的硬件建設、數(shù)據(jù)庫開發(fā)、代碼編碼、計算方法、分析評價、系統(tǒng)集成等均將采用標準化方法。有國家、行業(yè)標準或規(guī)范的，都將嚴格執(zhí)行，沒有標準或規(guī)范的，采用通用做法。

界面友好原則

系統(tǒng)最終是為用戶服務的。系統(tǒng)開發(fā)應考慮不同層次的用戶，設計友好的系統(tǒng)界面，使其操作直觀、簡便，易維護。

二、水資源管理GIS開發(fā)特點

(1)系統(tǒng)特色

實用性，兼容性，可擴展性強。隨著規(guī)劃進程展開新資料的不斷補充，系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以逐步的得到充實。

支持圖形對象和對象屬性的雙向查詢，支持地圖漫游和屬性到地圖的查詢。

根據(jù)規(guī)劃中各專題需要編譯生成各專項現(xiàn)狀，規(guī)劃專題圖。

根據(jù)規(guī)劃專題需要提供資料查詢及報表生成。

系統(tǒng)制圖打印靈活方便，可按規(guī)范比例尺/標準圖幅打印，也可任意圖幅和可見范圍。

界面友好，操作簡單靈活。功能組織條塊合理，層次清楚。

(2)設計目標

開發(fā)水資源管理軟件的主要目的是在利用GIS系統(tǒng)中使用者可以通過點擊視圖通過table和鏈接的圖表等來了解此處的水資源情況，能夠將資料的積累、查詢自動化。此外，可以在ArcGIS中venue語言編程對輸入的水質檢測項進行評價和對輸入的水資源量進行計算可以得出當?shù)厮Y源量的供需狀況。有了此項功能使此軟件的功能有了亮點，不只是一個便于存貯和快速查詢的數(shù)據(jù)庫式的軟件，而是可以提供新的數(shù)據(jù)和對決策提供理論依據(jù)的比較全面的軟件。

(3)設計步驟

水資源信息管理系統(tǒng)的開發(fā)通常需要經(jīng)過資料收集、資料信息化、數(shù)據(jù)庫設計、數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)、界面設計、應用程序開發(fā)等6個步驟，具體如下:

1)資料收集

全面收集所建水資源信息管理系統(tǒng)所需要的各種資料。

2)資料信息化

將收集到的各種資料進行整理，提取出系統(tǒng)所需要的信息，然后對各種信息進行分類，通常先按其存儲格式進行分類，然后再按其信息內容進行分類。

3)數(shù)據(jù)庫設計

根據(jù)數(shù)據(jù)庫存儲信息的內容，依據(jù)最優(yōu)化原則，將數(shù)據(jù)庫所要存儲的信息進行分類，明確各種數(shù)據(jù)的意義及其與其它數(shù)據(jù)之間的關系。

4)數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)

根據(jù)設計的數(shù)據(jù)庫結構，在Microsoft SQL Server 2000中進行實現(xiàn)，即建立各種表、視圖、約束等。建立的數(shù)據(jù)庫，為前臺系統(tǒng)開發(fā)程序提供數(shù)據(jù)支持。

5)界面設計

應用程序界面通常依據(jù)系統(tǒng)運行流程和系統(tǒng)功能分類進行設計，在設計階段需要解決的問題是需要建立幾個窗體和如何布置每個窗體。界面設計通常遵循以下原則:①保持用戶界面的簡捷性，即不要使用戶界面過于復雜;②保持用戶界面的明確性，即使用戶不必閱讀使用手冊即可使用程序;③保持用戶界面的內在一致性，即應用程序中相同或相似的控件具有同樣的工作方式;④保持用戶界面的外部一致性，即使用絕大多數(shù)應用程序通常使用的控件和菜單，從而使用戶憑借以往的經(jīng)驗即可使用所開發(fā)的應用程序。

6)應用程序開發(fā)

應用程序開發(fā)即將所設計的程序界面進行實現(xiàn)，并編寫相應的代碼實現(xiàn)特定的功能，滿足系統(tǒng)的功能需求。

三、水資源GIS系統(tǒng)架構設計

不同用戶對水資源信息管理系統(tǒng)的要求不同，因此對信息的需求也不相同。通常，系統(tǒng)所包含的信息根據(jù)系統(tǒng)建設目的、系統(tǒng)服務對象等的不同而有所差異。通常，根據(jù)信息存儲格式，可將系統(tǒng)信息分為圖件信息、文本信息和數(shù)據(jù)信息三種類型;根據(jù)信息內容，又可將水資源信息管理系統(tǒng)所需信息分為自然地理信息、社會經(jīng)濟信息、水資源信息、生態(tài)環(huán)境信息等類型。

(1)系統(tǒng)功能模塊設計

1)地理信息

地理信息通常指與水資源相關的自然地理信息，如水資源分區(qū)狀況、河流形狀、河流位置、河流長度、水庫形狀、水庫位置等，這些信息通常為圖件形式。

2)社會經(jīng)濟信息

社會經(jīng)濟信息通常包括人口信息、各種經(jīng)濟社會指標信息等。多為具有水資源開發(fā)利用評價功能的系統(tǒng)服務。

3)水資源信息

水資源信息通常包括大氣降水、地表水、地下水及水資源工程等。地表水信息通常包括河流流量，河流水質，水文監(jiān)測，排污口監(jiān)測，地表水資源量、利用量等;地下水信息通常包括各種監(jiān)測井監(jiān)測，地下水水質，開采井，地下水資源量、利用量等;水資源工程信息通常包括堤壩、河段、水庫、水閘，地下水庫等。

4)生態(tài)環(huán)境信息

生態(tài)環(huán)境信息主要包括地面沉降信息、污染河流信息、降落漏斗信息、海水入侵信息、荒漠化信息等。這些信息主要為防止和控制不良地質現(xiàn)象服務。

(2)系統(tǒng)結構設計

在水資源信息管理系統(tǒng)的系統(tǒng)設計過程中，首先要對系統(tǒng)所管理的各種內容進行分類。根據(jù)系統(tǒng)所管理的內容不同可將水資源信息管理系統(tǒng)分為若干個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間既相對獨立又相互聯(lián)系，共同組成水資源信息管理系統(tǒng)。通常，水資源信息管理系統(tǒng)包括地表水資源管理子系統(tǒng)、地下水資源管理子系統(tǒng)，水環(huán)境管理子系統(tǒng)等。

(3)系統(tǒng)功能設計

水資源信息管理系統(tǒng)的功能主要是依據(jù)用戶對系統(tǒng)的需求，即開發(fā)系統(tǒng)的根本目的而確定的。通常，水資源信息管理系統(tǒng)功能的設計以各子系統(tǒng)為單位，分別進行，不同的子系統(tǒng)功能不完全相同。

總的來說，水資源信息管理系統(tǒng)通常具有如下功能:系統(tǒng)安全保護功能，包括用戶身份識別，傳輸數(shù)據(jù)的加密等;數(shù)據(jù)庫信息的管理，包括數(shù)據(jù)的導入、導出、修改、查詢檢索、統(tǒng)計分析、報表生成等;專題管理，包括區(qū)域水資源評價、水質綜合評價，專題圖的制作等。若管理系統(tǒng)結合GIS進行開發(fā)，則還具有基本GIS功能，包括圖形的放大、縮小、鷹眼等功能，圖文互查功能等。

(4)系統(tǒng)實現(xiàn)

在系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)格式主要有文本數(shù)據(jù)，文檔資料，Excel表格，DWG、Arcinfo格式圖形數(shù)據(jù)，相片，影響數(shù)據(jù)等。根據(jù)系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)以及空間數(shù)據(jù)的存貯與管理需求，選擇SQL Server作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存貯，兩者通過ID標識建立連接關系。由于數(shù)據(jù)來源，形式復雜，格式不一，因此對數(shù)據(jù)收集與整理入庫必須統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施(圖4-12)。對于現(xiàn)有的已電子化的數(shù)據(jù)優(yōu)先入庫;已整理好的，以硬拷貝的形式存在的，需要以手工方式進行輸入的在數(shù)據(jù)輸入軟件開發(fā)完成后進行入庫;需要進行整理，需要花費大量的時間、財力的數(shù)據(jù)，根據(jù)情況進行收集、整理、錄入、入庫;系統(tǒng)運行急需的數(shù)據(jù)優(yōu)先整理、錄入、入庫。對于規(guī)劃成果按照不同數(shù)據(jù)格式的要求入庫。檢查無誤的數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)規(guī)定的數(shù)據(jù)組織方式，自動生成專題圖庫和屬性數(shù)據(jù)庫，將圖形和屬性關聯(lián)，獲得滿足需要的數(shù)據(jù)，進行入庫。

圖4-12　水資源的使用價值的周期性變化規(guī)律

四、水資源GIS開發(fā)的工具

水資源信息管理系統(tǒng)開發(fā)包括數(shù)據(jù)庫開發(fā)和應用程序開發(fā)兩大部分，其開發(fā)工具依據(jù)系統(tǒng)功能要求、開發(fā)工具的效果及用戶對開發(fā)工具的掌握程度而定。

數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具隨著數(shù)據(jù)庫代替文件來管理數(shù)據(jù)以來，數(shù)據(jù)庫技術已經(jīng)得到很好的發(fā)展。目前常用的數(shù)據(jù)庫有SQLServer、Oracle、Sybase、ASA(Adaptive Server Anywhere)、FoxPro以及Access等。常見的大型數(shù)據(jù)庫一般都用Oracle與SQL Server，小型的用Access。各種數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具都有其各自的優(yōu)點，但同時又不可避免地存在一些缺點: Oracle與SQLServer開發(fā)的數(shù)據(jù)庫存在的問題是用戶必須安裝上Oracle與SQLServer管理器才可以使用，這對于大型數(shù)據(jù)庫以及高級用戶是合理的，但對于小數(shù)據(jù)庫以及初級用戶顯然是制造了麻煩，并且相對降低了計算效率; Access開發(fā)的數(shù)據(jù)庫存在的問題是用戶只可以在單臺計算機上使用。所以，對數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具的選擇應根據(jù)系統(tǒng)功能要求而定。

應用程序開發(fā)工具計算機開發(fā)語言很多，現(xiàn)在常用的開發(fā)語言有由Fortran發(fā)展而來的Visual Fortran、由Basic發(fā)展而來的Visual Basic、由Pascal發(fā)展而來的Delphi、由C++發(fā)展而來的Visual C++、還有Borland公司的C++Builder，以及Sybase公司的Power Builder等。雖然各種開發(fā)語言的功能都大同小異，風格也所差無幾，但各有各的優(yōu)點。Visual Basic是最簡單、方便、易學的，并且它通過控件的方式使開發(fā)語言具有可擴展性，多為專業(yè)計算機開發(fā)人員使用;而C++Builder是Borland公司生產的能夠兼容VisualC++程序的開發(fā)語言，介于Visual C++與Visual Basic之間; Visual Fortran應用于科學計算，其計算能力強、效率高。所以，對應用程序開發(fā)工具的選擇也應根據(jù)系統(tǒng)功能要求而定。

第八節(jié)　本章小結

基于第三章“易學”思想等八種理論，通過系統(tǒng)整合和有機融合而成的水資源系統(tǒng)“易”理論，本章就該理論，首先對水資源系統(tǒng)“易”理論的運行基本原理進行了三方面的推演，即在水資源系統(tǒng)內部，對水資源的配置情況進行了靜態(tài)分析，之后是水資源系統(tǒng)與經(jīng)濟社會系統(tǒng)、外界生態(tài)環(huán)境之間的相互作用熵的周期變化以及其之間關系的向量投影進行了分別的剖析論證，然后，對水資源系統(tǒng)整體的四維時空動態(tài)演化進行了全景展示;其次，對水資源的價值，特別是水資源的使用價值運用“易”理論中的生命周期方法進行了分階段地解析，并對水資源稀缺的二重屬性和水資源供需均衡分析分別做以介紹;再次基于“易”理論中系統(tǒng)的觀點和循環(huán)的特點，將水資源進行了分類，并從“易”學的哲學角度對水資源系統(tǒng)的運行特點進行闡釋;最后，對現(xiàn)代水資源利用與管理的一些評價方法和水資源系統(tǒng)進行實證研究可能用到的系統(tǒng)動力學的理論與方法、現(xiàn)代水資源管理GIS工具等進行了介紹。